Transformatory i łączniki w eksploatacji 2020

SPECYFIKA DOBORU URZĄDZEŃ ŁĄCZENIOWYCH WN ORAZ TRANSFORMATORÓW MOCY, Z UWZGLĘDNIENIEM TRUDNYCH WARUNKÓW EKSPLOATACJI W MORSKICH FARMACH WIATROWYCH

WSTĘP

Trudne warunki eksploatacji urządzeń w Morskich Stacjach Kolektorowych (MSK), ze względu na podwyższoną wilgotność oraz zasolenie otaczającego powietrza, dodatkowo z utrudnionym dostępem służb serwisowych (stacje oddalone dziesiątki kilometrów od wybrzeża plus okresy długotrwałych sztormów) wymagają bardzo dopowiedział- nego doboru urządzeń łączeniowych oraz transformatorów mocy, spełniających kryteria niezawodności, porównywal- nego z doborem komponentów dla elektrowni jądrowych ! Obecnie w pojedynczej MST dużej mocy 66 kV/220 kV lub 66 kV/ 275 kV, moc grupy transformatorów od 800…do 1600 MVA, co w warunkach morskich wymusza zastoso- wanie bardzo wyspecjalizowanego systemu chłodzenie transformatorów, oraz specjalnej konstrukcji pół rozdzielczych w izolacji gazowej (GIS) na napięcia: Un = 72,5 kV ; Un = 300 kV wyposażonych w niezawodne napędy, przystoso- wane do wieloletniej eksploatacji w warunkach morskich, co zostanie wyeksponowane w niniejszym referacie. Innym ważnym aspektem rozważań będzie dobór urządzeń łączeniowych w przypadku wyprowadzenia mocy z pojedynczej Morskiej Turbiny Wiatrowej (MTW), która już obecnie osiąga moc 12,0 MW, a w niedalekiej przyszłości moc MTW może osiągnąć wartość 15 – 20 MW !

1. Grupa „Offshorowych” Transformatorów Mocy we wnętrzu obudowy Morskiej Stacji Kolektorowej, spe- cyfika konstrukcji, dobór

Planowane inwestycje związane z Morskimi Farmami Wiatrowymi na Morzu Bałtyckim, dotyczą kompleksów o łącznej mocy od 20 do… 30 GW !, gdzie panują dobre warunki dla ich budowy, ze względu na małą głębokość morza oraz sprzyjające warunki wiatrowe, ale to akwen z ograniczonym miejscem dla tak wielkich inwestycji, co jest związane m.in. z pozostałościami II Wojny Świtowej zalegającymi na dnie (wraki ; niewypały ; broń chemiczna). Wspo- mniane warunki wymuszają budowę Morskich Stacji Kolektorowych (MSK) z dużą – sumaryczną mocą grupy „Offshorowych” Transformatorów Mocy (OTM), np. na poziomie 1600 MVA (patrz RYS. 2), zamiast większej ilości MSK, względnie małej mocy, połączonych między sobą morskimi kablami na napięcie 220 kV. Postęp technolo- giczny w konstrukcji Morskich Turbin Wiatrowych (MTW) spowodował wzrost napięcia wyjściowego z MTW z 33 kV do … 66 kV, co umożliwia podłączenie ponad 110 jednostek MTW o mocy 10-12 MW do jednaj MSK (patrz RYS.1). Grupa OWT o mocy 1600 MVA, rozmieszczona wewnątrz obudowy MSK o niewielkich wymiarach, wydzielając dużą energię cieplną strat obciążeniowych, wymaga skutecznego systemu chłodzenia tych jednostek (patrz RYS. 2), co jest niełatwym zadaniem ze względu na stosowanie autonomicznego systemu chłodzenia, w którym ze względu na warunki morskie, nie stosuje się wentylatorów oraz pomp dla wymuszonej cyrkulacji oleju! Tak złożony system chodzenia transformatorów z wyżej wymienionymi ograniczeniami natury technicznej, wymagał zastosowania względnie złożonych obliczeń, jakie wykonano w fabryce ABB Power Grids Poland Sp. z o.o. w Łodzi, wiodącej fabryce w grupie ABB, produkującej OTM. Ze względu na lokalizację, OTM są narażone na częste i wysoko- energetyczne przepięcia, związane z wyładowaniami piorunowymi, co wymaga bardzo skutecznej ochrony tych trans- formatorów. Im dystans między transformatorem a ogranicznikiem ZnO jest mniejszy, tym skuteczniejsza ochrona przed szybko narastającymi przepięciami. Na RYS. 3 przedstawiono OTM spełniający to wymaganie, gdzie ZnO jest zamontowany nad przyłączem kablowym, skutecznie chroniąc zarówno transformator jak i rozłączne połączenie kablowe typu wtykowego.

Możliwie bezprzerwowy przesył energii generowanej w Morskiej Farmie Wiatrowej do stacji energetycznej na lądzie (Onshore), wymaga zastosowania odpowiedniej liczby OTM z optymalnym doborem mocy poszczególnych jednostek zainstalowanych w MSK, aby w przypadku przeglądu serwisowego lub naprawy na miejscu zainstalowania jednego z wybranych OTM, była możliwość przesłania maksymalnej mocy generowanej w Morskiej Farmie Wiatrowej (MFW) za pośrednictwem pozostałych, pracujących OTM, co jest podstawowym wymogiem respektowania minimalnego poziomu redundancji w grupie OTM. Przykład: w przypadku grupy OTM o mocy 800 MVA jeśli nie respektować redundancji, to wystarczyłoby zainstalować w MSK dwie jednostki OTM o mocy 400 MVA (patrz RYS. 4), a w przypadku respektowania wymogu redundancji w grupie OTM należy zainstalować cztery jednostki o mocy 270 MVA, gdyż w przypadku przestoju jednego z OTM, grupa OTM posiada moc 810 MVA. Fabryka ABB w Łodzi jest przygotowana do wyprodukowania jednostek OTM o znacznie większej mocy, tzn. jednostki o mocy do … 550 MVA czyli jeszcze transportowalne jednostki trójfazowe – koleją (ograniczenie: gabaryty skrajni kolejowej), ale praktyczne zastosowania w MSK dużej mocy, mają jednostki OTM o mocy do 400 MVA, co jest związane z respektowaniem w/w redundancji w grupie OTM. Przykład schematu głównego poglądowego MSK o mocy 1600 MVA, z zastoso- waniem czterech jednostek OTM o mocy 400 MVA każda, omówiono w [1]. Założono redundancję: jeden OTM/400 MVA wyłączony czasowo z eksploatacji, to w MSK do dyspozycji moc grupy OTM: 1200 MVA, wystar- czająca dla zasilenia Morskiej Stacji Konwerterowej +/- 362 kV o mocy do 1,1 GW.

RYS. 1. Przykład rozmieszczenia morskich turbin wiatrowych wokół dwóch stacji kolektorowych, podłączonych do „STRINGÓW” kablami morskimi 66 kV, źródło: DNV-GL, Raport No.:113799-UKBR-R02,Rev.2 [2].
1 ; 2 – stacje kolektorowe (stacja kolektorowa No. 1 zasilana z 117 turbin wiatrowych !)
3 – ”STRING” 66 kV, zbierający moc z 11 turbin wiatrowych
RYS. 2. Przykład: grupa sześciu „Offshorowych” Transformatorów Mocy 270 MVA /66 kV/220 kV, przeznaczonych do zainstalowania wewnątrz obudowy Morskiej Stacji Kolektorowej HVAC o mocy 1620 MVA, z autonomicznym systemem chłodzenia (niewymuszona cyrkulacja oleju ,radiatory poza wnętrzem obudowy platformy morskiej), zapro- jektowana i wyprodukowana w fabryce ABB Power Grids Poland Sp. z o.o. w Łodzi [1].
RYS. 3. “Offshorowe” Transformatory Mocy (OTM) w Morskiej Stacji Kolektorowej (MSK) 66 kV/220 kV [1].
1 – podłączenie trzech wstawek kablowych – jednożyłowych 66 kV do danej fazy (prąd roboczy do 4000 A);
2 – przykład podłączenia ogranicznika przepięć ZnO do przyłącza kablowego transformatora, w celu zachowania minimalnej odległości ogranicznika ZnO od transformatora.
RYS. 4. Przykład Morskiej Stacji Kolektorowej (MSK) o mocy 800 MVA: bez redundancji – dwa „Offshorowe” Transformatory Mocy (OTM) o mocy 400 MVA ; z respektowaniem redundancji – cztery OTM o mocy 270 MVA.

2. Rozdzielnice GIS, wymagania oraz konfiguracja pól, dostosowanych do specyfiki pracy w Morskich Stacjach Kolektorowych dużych mocy.

Szybki rozwój technologii, związany z Morskimi Turbinami Wiatrowymi (MTW) już obecnie otworzył drogę dla zastosowań jednostek o mocy 12 MW. Napięcie wyjściowe z MTW obecnie wynosi 66 kV, ale jeszcze niedawno napięcie rozgałęzionej, morskiej sieci kablowej łączącej MTW wynosiło 33 kV. Rozdzielnice GIS, aplikowane w Morskich Stacjach Kolektorowych (MSK) bazują na sprawdzonej technologii, doskonalonej od kilkudziesięciu lat, jednakże maksymalnie ograniczone gabaryty MSK, oraz warunki pracy GIS w warunkach morskich (zasolenie ; wilgot- ność ; duża odległość MSK od brzegu) wymuszają bardzo odpowiedzialny dobór tych urządzeń, z niezawodnością porównywalną z tymi, jakie pracują w obwodach potrzeb własnych elektrowni jądrowych.

RYS. 5. Przykład charakterystyki z wykresem parametru MTBF – czas między awariami danego typu GIS, zielony wykres dotyczy MTBF w przypadku GIS typu ELK-04 produkcji ABB na napięcia 72,5 kV …145 kV oraz 170 kV, obecnie MTBF = 2200 lat, dla okresu eksploatacji: 106.000 polo-lat ! .

Ważnym parametrem doboru GIS dla MSK ze względu na niezawodnośc, jest parametr MTBF (patrz RYS. 5), czyli czas potwierdzony przez producentsa dla danego typu GIS .

Konfiguracja GIS oprata o zoptymalizowane moduły, ułatwia zarówno badania wysokonapieciowe jak i serwis GIS w w MSK z napięciami roboczymi 66 kV oraz 220 kV w warunkach morskich, zwłaszcza że MSK są zwykle usytuowane z znacznej odleglości od brzegu. Patrząc na fragment poglądowego schematu głównego MSK (patrz RYS. 6), z zastosowaniem GIS na napięcia Un = 72,5 kV oraz z Un= 300 kV (patrz RYS. 7 oraz RYS. 8), można zauważyć, że spełnione jest wymaganie: odłączenie przekładników napięciowych oraz ograniczników przepięć, na czas prób wysokonapięciowych w stacji MSK, z zastosowaniem trójpołożeniowego odłączniko-uziemnika, czyli aparatu który w drugim położeniu jest otwarty, a w trzecim położeniu styki ruchome są połączone ze stykiem stałym uziemiającym.

RYS. 6. Fragment poglądowego schematu Morskiej Stacji Kolektorowej (MSK) z zastosowaniem GIS z Un=72,5 kV oraz GIS z Un= 300 kV, (napięcie pracy MSK: 66 kV oraz 220 kV ) [1].

Owalem koloru czerwonego (patrz RYS.6) wyodrębniono schemat pola transformatorowego „silnoprądowego” GIS na napięcie 72,5 kV typu ELK-04 (patrz RYS. 7), we wnętrzu MSK na Morzu Północnym.

RYS. 7. Przykład konfiguracji pola „silnoprądowego” GIS typu ELK-04, na napięcie Un= 72,5 kV…145 kV (In=4000 A ; Isc=63 kA) w Morskiej Stacji Kolektorowej (MSK), zasilającego „Offshorowy” Transformatorów Mocy (OTM) o mocy 400 MVA [1].
1 -ograniczniki przepięć ZnO poszczególnych faz we wspólnej obudowie.
2 – napęd odłączniko-uziemnika dla odłączenia ZnO od kabli 66 kV, a następie jego uziemienia. 3- napęd uziemnika szybkiego dla uziemienia kabli 66 kV, podłączonych do wspólnej szyny.
4 – przekładnik napięciowy (VT).
5 – napęd odłączniko-uziemnika dla odłączenia VT od kabli a następnie jego uziemienia.
6 – odłączniko-uziemnik za wyłącznikiem.
7 – wyłącznik (72,5 kV/4000 A/63 kA).
8,9,10 – przedziały dla podłączenia kabli (po trzy kable na fazę, w sumie 9 kabli).

gdzie wyspecyfikowano podstawowe elementy funkcjonalne pola, zoptymalizowane dla MSK dużej mocy. „Silno- prądowe” pole GIS typu ELK-04 (patrz RYS. 7) zasila OTM o parametrach : napięcie dolne – 66 kV ; napięcie górne – 220 kV ; moc do jednostki do 400 MVA.

W przypadku OTM o mocy 400 MVA, prąd roboczy ELK-04 przy napięciu roboczym 66 kV wynosi 3500 A. Owalem koloru zielonego (patrz RYS. 6) zaznaczono schemat pola GIS na napięcie Un = 300 kV (patrz RYS. 8), aplikowane dla napięcia w MSK 220 kV lub 275 kV. Obecnie najbardziej rozpowszechnionym napięciem morskich kabli „eksportowych” jest 220 kV, ale rozpoczęto już w MTW stosowanie trójżyłowych kabli „eksportowych” na wyższe napięcie, czyli 275 kV .

RYS. 8. Konfiguracja kompletnego pola rozdzielnicy na napięcie Un =300 kV w izolacji gazowej, typu ELK-14/300 stosowana w Morskich Stacjach Kolektorowych (MSK) z napięciami roboczymi 220 kV lub 275 kV [1].
1- przekładnik napięciowy (VT) podłączony do GIS poprzez odłączniko-uziemnik.
2- odłączniko-uziemnik zintegrowany z VT.
3- ogranicznik przepięć ZnO podłączony do GIS poprzez odłączniko-uziemnik.
4- odłączniko-uziemnik zintegrowany z ZnO.
5- podłączenie dwóch kabli 220 kV lub 275 kV do jednej fazy.

Konfiguracja pola ELK-14/300 zachowuje cechy funkcjonalne jak w przypadku GIS na napięcie 72,5 kV (patrz tekst wyżej), i umożliwia podłączenie dwóch morskich kabli „eksportowych” na napięcie 220 kV lub 275 kV na fazę. Nie chodzi tu o obciążalność kabla ( OTM 400 MVA, to prąd po stronie 220 kV o wartości: 1050 A), a o redundancję związaną z ilością (zapasem) „eksportowych” kabli morskich, ułożonych na dnie morza, zasilających stacje lądowe „onshore” dużych mocy na napięcia 220kV oraz 400 kV, zintegrowane z krajowym system energetycznym.

Pole dopływowe w MSK, zasilane np. z 11 MTW (patrz RYS. 1), którego schemat zaznaczono owalem koloru niebieskiego (patrz RYS. 6), powinno być wyposażone w ograniczniki przepięć ZnO (patrz RYS. 9), z licznikami zadziałań ZnO, co pozwala kontrolować proces starzeniowy struktury chemicznej ZnO, ograniczający czas pracy tych urządzeń.

RYS. 9. Przykład wielopolowej rozdzielnicy w izolacji gazowej typu ELK-04, Un = 72,5 kV, w Morskiej Stacji Kolektorowej (MSK) dużej mocy, zainstalowanej po stronie 66 kV „Offshorowego” Transformatora Mocy (prąd szyn zbiorczych 4000 A prąd wyłączalny 63 kA) [1].
1- napęd hydrauliczno-sprężynowy wyłącznika typu HMB.
2- szafy sterujące z przekaźnikami zabezpieczeniowymi.
3 – ograniczniki przepięć ZnO trzech faz we wspólnej obudowie.
4 – liczniki zadziałań ograniczników ZnO w poszczególnych fazach.
5- uziemniki szybkie szyn zbiorczych.

3. Wyprowadzenie mocy z Morskiej Turbiny Wiatrowej, konfiguracja pola GIS w aspekcie bezpieczeństwa obsługi, cyfrowe wykonanie urządzenia

Obecnie budowane Morskie Farmy Wiatrowe (MFW) mają moc od 800 do 1400 MW i więcej. Jeśli dla uproszczenia przyjąć moc MFW np. 1200 MW oraz moc Morskiej Turbiny Wiatrowej (MTW) 12 MW, to na obszarze takiej MTW należy rozmieścić 100 jednostek MTW. Inwestorzy rozważają budowę kompleksów MTW na Bałtyku o mocy od 20 do 30 GW, a to oznacza instalację od 2.000 do 3.000 jednostek MTW. Jeśli zastosować pole GIS dla wyprowadzenia mocy z jednostki MTW (patrz RYS. 10), to takie pole składa się z co najmniej 4 oddzielnych przedziałów gazowych. W przypadku pracy 2.000 OTW w kompleksie MTW, pod napięciem 66 kV (a w przyszłości 110 kV) – 8.000 (osiem tysięcy) przedziałów gazowych !. Jeśli wziąć pod uwagę obszar kompleksu MTW ok. 4.000 km² oraz okresy sztormów na morzu (okres wiosenno-jesienny), to logicznym jest pytanie: jakie rozwiązania należy zastosować w przypadku powolnej utraty szczelności danego przedziały GIS (rozważany 30 letni okres eksploatacji GIS) .W takim wypadku ciśnienia gazu izolacyjnego w danym przedziale GIS może się zrównać z ciśnieniem atmosferycznym, czyli 0,1 MPa (ciśnienie absolutne) !

Innowacyjne pole GIS typu ELK-04 H produkcji ABB, skonstruowane dla zakresu napięć od 72,5 kV do …145 kV (patrz RYS. 10), to urządzenie, jakie pozwala pozytywnie odpowiedzieć na powyższe pytanie, gdyż przez określony czas może pracować przy spadku ciśnienia do wartości 0,1 MPa (abs.), oraz wyłączyć prąd roboczy OTW z napięciem wyjściowym 66 kV o mocy 12 MW, równy 105 A. Inną zaletą techniczną pola GIS typu ELK-04 H jest możliwość realizacji schematu głównego, gwarantującego wysoki poziom bezpieczeństwa obsługi, włączając naprawy serwisowe gdyż zestaw aparatów zastosowanych w ELK-04 H umożliwia odłączenie i uziemienie kabla 66 kV od strony transfor- matora podwyższającego typu WindSTAR, jak i dwóch kabli 66 kV, podłączonych do ELK-04 H, pracujących w „STRING”-u, z użyciem własnych uziemników szybkich (patrz schemat RYS. 10). Kable 66 kV podłączone do ELK-04 H są zabezpieczone ogranicznikami przepięć ZnO, ze względu na przepięcia generowane na skutek częstych udarów piorunowych w warunkach morskich, które mogą narazić izolację transformatora podwyższającego zarówno od strony OTW j jak i z obydwu kierunków od strony „STRING”- ów. Trójpołożeniowe odłączniko-uziemniki pozwalają wyizolować i uziemić wyłącznik ELK-04 H, co pozwala w bezpieczny sposób wykonać np. okresowy przegląd komór gaszeniowych tego aparatu. Z końcem 2020 roku będzie dostępne wykonanie pola typu ELK-04 H w „wersji cyfrowej” (patrz Rys. 10), gdzie w kompaktowym module typu CP04 są zastosowane sensory napięciowe (U) oraz prądowe (I) klasy 0,2, zapewniające liniowy pomiar U/I w całym zakresie pomiarowym ! .

RYS. 10. Innowacyjne urządzenia produkcji ABB, przeznaczone dla wyprowadzenia mocy z Morskiej Turbiny Wiatrowej (MTW) o mocy 10 – 12 MW, podłączonej do kabla morskiego napięciem roboczym 66 kV [1].
1 – transformator podwyższający 66 kV/ 3,3 kV typu WindSTAR, z biodegradowalną cieczą izolacyjną (w przypadku morskiej turbiny 12 MW, moc transformatora WindStar – 14 MVA).
2 – pole rozdzielnicy GIS, Un = 72,5 kV typu ELK-04 H, z horyzontalnym położeniem komór gaszeniowych wy- łącznika.
3 – sensory napięciowe (U) w module CP04 dla cyfrowego wykonania pola GIS typu ELK-04 H.
4 – sensory prądowe (I) w module CP04 (cewki Rogovskiego).

WNIOSKI

Należy przewidzieć taką liczbę „Offshorowych” Transformatorów Mocy (OTM), oraz moc poszczególnych jednos- tek zainstalowanych na Platformie Morskiej, aby w przypadku przeglądu serwisowego lub naprawy na miejscu zainsta- lowania OTM, była możliwość przesłania 100% maksymalnej mocy generowanej w Morskiej Farmie Wiatrowej (MTW), za pośrednictwem pozostałych pracujących OTM.

Producent grupy OTM, zainstalowanych we wspólnej obudowie Morskiej Stacji Kolektorowej (MSK), jest odpowie- dzialny za konstrukcję, dobór, oraz uruchomienie urządzeń wymuszających obieg oleju transformatorowego, oraz elementów łączących kadź OTM z systemem chłodzenia, wyposażonym w chłodnice, zwykle zainstalowane na zewnątrz obudowy MSK.

Tylko dobrze sprawdzona konstrukcja rozdzielnic z izolacją gazową (GIS) może zostać zaaprobowana w przypadku zastosowań GIS w Morskich Stacjach Kolektorowych (MSK), co należy potwierdzić referencjami, związanymi z pracą GIS w MSK. Wymiernym wskaźnikiem tych referencji jest parametr MTBF, tzn. liczba pól GIS w eksploatacji pomnożona przez czas ich eksploatacji („pola x lata”), podzielona przez liczbę awarii powodujących przerwę w eksplo- atacji danego typu pola GIS. Ze względu na utrudniony dostęp oraz trudne warunki eksploatacji (duża wilgotność oraz zasolenie otaczającego powietrza ), rekomendowana liczba „pola x lata” dla danego typu GIS powinna być równa lub większa od 60.000 lat (sześćdziesiąt tysięcy „polo x lat”), i dla tej wartości lub dla wartości wyższej producent GIS powinien potwierdzić parametr MTBF.

Producenci pól GIS przeznaczonych do instalacji w zespole Morskiej Turbiny Wiatrowej (MTW), przekazujących generowaną moc w MTW do Morskiej Stacji Kolektorowej (MSK), powinni wyznaczyć laboratoryjnie poziom wytrzymałość izolacji GIS, podnosząc to napięcie o częstotliwości sieciowej, znacząco powyżej napięcia roboczego (obecnie napięcie wyjściowe z MTW: 66 kV ), i ten test wysokonapięciowy należy wykonać dla wszystkich prze- działów gazowych GIS w przypadku obniżenia ciśnienia gazu izolacyjnego do wartości ciśnienia atmosferycznego, tj. do 0,1 MPa (abs). Czas testu: 60 sekund. Wymagany jest również specjalny test łączeniowy, polegający na sku- tecznym wyłączeniu dopuszczalnego prądu roboczego, i wartość tego pądu dopuszczalnego należy określić odpo- wiednimi próbami laboratoryjnymi, także w przypadku spadku ciśnienia w komorze gaszeniowej wyłącznika, do poziomu ciśnienia atmosferycznego, tzn. do 0,1 MPa (abs).

Dr inż. Aleksander Gul

ABB Power Grids Poland Sp. z o.o. ekspert SEP, członek PKWSE

Literatura:

  1. A. Gul, „Innowacyjne rozwiązania zastosowane w Kompleksie Morskich Farm Wiatrowych Wielkiej Mocy, z uwzględnieniem wymagań dla zabezpieczenia morskiej sieci kablowej prądu stałego”. Studium rozmieszczone na stronie SEP, 2019.
  2. DNV-GL Raport No.:113799-UKBR-R02,Rev.2
Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top